Co to jest rozpraszanie Ramana?
Kiedy światło przepływa przez ciało stałe, ciecz lub gaz, część światła zostanie rozproszona, przemieszczając się w kierunkach różniących się od kierunku światła przychodzącego. Większość rozproszonego światła zachowa swoją pierwotną częstotliwość - jest to znane jako rozpraszanie elastyczne, czego przykładem jest rozpraszanie Rayleigha. Niewielka część rozproszonego światła będzie miała częstotliwość mniejszą niż częstotliwość światła przychodzącego, a jeszcze mniejsza część będzie miała wyższą częstotliwość - jest to znane jako rozpraszanie nieelastyczne. Rozpraszanie Ramana jest formą nieelastycznego rozpraszania i nosi imię Chandrasekkara Venkata Raman, który otrzymał nagrodę Nobla za swoją pracę na ten temat w 1930 r.
Chociaż rozproszenie można uznać za światło odbijające się od małych cząstek, rzeczywistość jest bardziej złożona. Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne, którego typem jest światło, oddziałuje z cząsteczką, może zniekształcić kształt chmury elektronowej cząsteczki; zakres, w jakim to się dzieje, jest znany jako polaryzowalność cząsteczki i zależy od struktury cząsteczki i charakteru wiązań między jej atomami. Po interakcji z fotonem lekkim kształt chmury elektronowej może oscylować z częstotliwością zbliżoną do częstotliwości nadchodzącego fotonu. Ta oscylacja z kolei powoduje, że cząsteczka emituje nowy foton o tej samej częstotliwości, co powoduje rozproszenie elastyczne lub Rayleigha. Stopień rozproszenia Rayleigha i Ramana zależy od polaryzowalności cząsteczki.
Cząsteczki mogą również wibrować, a długości wiązań między atomami okresowo wzrastają lub maleją o 10%. Jeśli cząsteczka znajduje się w najniższym stanie wibracyjnym, czasami nadchodzący foton popchnie ją do wyższego stanu wibracyjnego, tracąc energię w procesie i powodując, że emitowany foton będzie miał mniej energii, a zatem niższą częstotliwość. Rzadziej cząsteczka może już znajdować się powyżej najniższego stanu wibracyjnego, w którym to przypadku nadchodzący foton może spowodować powrót do niższego stanu, zyskując energię, która jest emitowana jako foton o wyższej częstotliwości.
Emisja fotonów o niższej i wyższej częstotliwości jest formą nieelastycznego rozpraszania znanego jako rozpraszanie Ramana. Jeśli analizowane jest widmo rozproszonego światła, pokaże ono linię na częstotliwości wejściowej z powodu rozproszenia Rayleigha, z mniejszymi liniami na niższych częstotliwościach, a jeszcze mniejszymi liniami na wyższych częstotliwościach. Te linie niższej i wyższej częstotliwości, znane odpowiednio jako linie Stokesa i anty-Stokesa, występują w tych samych odstępach od linii Rayleigha, a ogólny wzór jest charakterystyczny dla rozpraszania Ramana.
Ponieważ interwały częstotliwości, w których pojawiają się linie Stokesa i Anti-Stokesa, zależą od rodzajów cząsteczek, z którymi światło oddziałuje, rozpraszanie Ramana można zastosować do określenia składu próbki materiału, na przykład minerałów obecnych w kawałku ze skały. Ta technika znana jest jako spektroskopia ramanowska i zwykle wykorzystuje jako źródło światła laser monochromatyczny. Poszczególne cząsteczki wytwarzają niepowtarzalny wzór linii Stokesa i linii anty-Stokesa, umożliwiając ich identyfikację.